앙페르, 가우스, 패러데이, 맥스웰

앙드레 마리 앙페르는 동전기 혹은 전기역학에 관한 완벽한 이론과 자기현상에 관한 많은 연구를 내놓았다. 앙페르는 전류의 흐름과 방향을 많이 연구했다. 전류가 존재할 때에는 어느 한 방향으로 이동하는 음의 전하와 그 반대 방향으로 이동하는 양의 전하가 똑같이 문제되기 때문에 전류의 방향은 전적으로 약속으로 정해지는 것임을 가르쳐준 인물이 앙페르이다. 앙페르의 오른손 실험을 통해서 외르스테드의 실험결과를 일반화하기도 했다.  전류의 방향과 자기장의 방향, 전체적인 운동의 방향 중에서 두개만 알면 나머지 하나를 밝힐 수 있게 해주는 법칙에 관한 것이기 때문이다.  실제로 앙페르는 자석을 구리코일 주변에서 움직이면 코일에 전류가 흐르게 된다는 사실을 확인했다. 전자기 유도현상을 발견한 것이다.  그는 자기란 동전기의 미시적 형태에 지나지 않는다고 확신했고, 전류가 자석을 분자적 차원에서 가로질러간다고 생각했다.  전기를 띠는 수많은 미시적 입자들이 자석안에서 이동하는 것이라고 말이다.

 

카를 프리드리히 가우스는 독일의 천문학자이자 물리학자인 동시에 위대한 수학자중 한 명으로 꼽히는 인물로 전기와 자기에 관심이 많았다. 1831년에 가우스는 빌헬름 베버와 함께 자기에 관한 새로운 지식을 알아냈고 이로써 키르히호프의 법칙이라는 전기법칙의 기촐르 마련했다. 전기에 관한 가우스의 법칙은 사실 쿨롱의 법칙을 조금 다르게 표현한 것이다.  가우스 법칙에서는 바로 이 쿨롱의 법칙을 끌어낼 수 있고, 또 그 역도 가능하다.  유일한 차이점은 가우스의 법칙은 시간에 따라 변화하는 전기장에 적용된다는 것인데, 따라서 쿨롱법칙을 일반화한 것이라고 볼 수 있다. 전기장에서 어떤 면에 작용하는 전기력을 하천에 비유하여 전류의 유량이라고 한다면 구면 중심에 위치한 전하에 의해서 발생하여,  그 구면을 통과하는 전류의 유량은 중심의 전하가 가진 전기량에 비례한다.  가우 법칙은 양의 전하에서 음의 전하로 향하는 전기장이 기하학적으로 어떤 형태를 이루는지도 설명한다. 가우스 다음 알아볼 인물은 톰슨이다.  윌리엄 톰슨은 즉 앞에서 말한 켈빈경 말이다.  그는 자기장과 전기장은 다르다고 보았다. 전기장은 한가지 전하만으로 생성될 수 있지만, 자기장은 그런 식으로 존재할 수 없다는 점 때문이다. 자기장에서 역선은 언제나 한쪽 극에서 다른쪽 극을 향한다. 역선이 무한히 멀어질 수 있는 전기장과는 기본적으로 다른 것이다.

 

페러데이는 전기에서 슈퍼 사이어인(일본만화 드래곤볼에 나오는 베지터 행성의 뛰어난 전자) 같은 인물이다.  왜냐하면 페러데이가 전자기 유도현상을 발견하면서 모든 것이 바뀌었기 때문이다.  자기장의 변화가 어떤 식으로 전기장을 유도하는지 알아냈고,  그 방식을 방정식을 통해서 수학적으로도 나타낼 수 있었던 것이다. 전자기 유도현상을 확인하는 방법은 간단하다. 우선 코일을 준비한 다음 코일안에 막대자석을 하나 넣어 둔다. 이 상태에서 코일을 전구에 연결하면 아무 일도 일어나지 않는다.  그런데 막대자석을 코일 안에서 움직이면 상황이 달라진다. 페러데이는 수은용액이 담긴 용기 가운데 영구자석을 고정시킨 뒤 수은 용액 위로 전선을 매달아 그 끝이 용액에 담기게 배치했다. 그런 다음 전선에 전류를 흘리자 전선은 자석주위를 돌기 시작했다. 전기 에너지를 일정한 원운동으로 바꾸는 전동기가 발명된 것이다. 다시 10년 뒤 패러데이는 전자기 유도현상도 발견했다.  이전 실험에서 전류는 전기에 의한 것이지만 이날 실험에서 전류는 자석의 움직에서 발생한 것이엇다. 자기장에서 일어난 기계적 운동이 전류로 바뀌었다는 뜻이다.

 

20세기를 대표하는 물리학자가 아인슈타인이라면 19세기를 대표하는 물리학자는 맥스웰이라고 할 수 있을 것이다. 맥스웰은 우선 앙페르의 방정식을 보완해서 맥스웰-앙페르 방정식을 내놓았다. 앙페르는 전류가 자기장을 만든다는 사실을 밝히고, 그 둘의 관계를 방정식으로 나타냈는데 맥스웰은 전기장의 변화도 자기장을 만든다는 내용을 추가하면서 그 방정식을 완성했다. 맥스웰이 추가한 조건 덕분에 정지상태에서 시간에 따라 변화하는 상태로 옮겨갔다. 전기장과 자기장은 서로 쌍을 이루며 어느 한쪽의 변화는 다른 한쪽의 세기에 비례함을 알 수 있다. 전기장과 자기장은 어떤 면에서는 흔들리는 진자처럼 작동한다고  말할 수 있을 것이다. 맥스웰-앙페르 방정식과 패러데이 방정식에 따르면 전자기파의 자기적 요소는 전기적 요소로 바뀔 수 있고, 전기적 요소는 또 자기적 요소로 바뀔 수 있다.

 

가우스 방정식은 전기장이 하나 이상의 전하 주위로 형성된다는 방식을 보여주는 것이고, 톰슨 방정식은 자기장이 자석 주위로 형성되는 방식을 보여주는 것이다. 맥스웰은 전기와 자기에 대한 자신의 이론에 우아함을 더해 전자기학이라고 부르는 통합 이론을 내놓았다. 사람들이 인과관계가 있다고 생각한 전기와 자기현상을 통합해서 이 두 현상의 사실은 동일한 한 가지 현상에 지나지 않음을 밝히는 데에 성공한 사람이 맥스웰이다. 전자기파는 전기장과 자기장의 변화로 정의된다.  전자기파는 말하자면 전자기장 표면에 생기는 물결 같은 것이다. 맥스웰 빙정식으로 추론할 수 있는 바에 따르면, 전자기파는 전자기장만 있으면 전파될 수 있다. 음파처럼 전파되기 위한 매질이 따로 필요없고, 따라서 진공에서도 전파될 수 있다. 맥스웰은 전자기파의 전파속도를 실험적으로 측정했고, 그 속도는 대략 초속 310,740킬로미터라고 내놓았다. 이 결과로 빛과 자기라는 두 현상이 같은 성질을 가졌으며, 빛이 전자기학의 법칙을 따라 공간에서 전파되는 전자기적 교란이라는 사실을 보여주는 듯하다. 이로써 맥스웰은 전자기학과 광학을 통합했고 중력과 관계없는 모든 거시적 차원의 물리학적 상호작용을 설명했다.

 

거시적 차원에서 전자기적 상호작용은 전기 에너지나 자기 에너지를 다음과 같은 에너지로 변환시킬 수 있다. 

* 운동에너지: 전동기를 통헤서 운동을 만들어 내는 것 

* 열 에너지: 전기를 저항성 전도체에 통과 시켜서 열을 발생 시키는 것

* 화학 에너지: 전기로 물을 산소와 수소로 분해하는 것

지구의 자기권은 태양의 끊임없는 복사현상으로부터 지구를 보호하는 실질적인 방패이기도 하다.